復雜條件下新能源LED路燈應用分析

周百紅，姜聯玉，王剛，白烏熱，齊立軍，孫國強

內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司，內蒙古 通遼 029200

0 引言

道路照明在社會發展中起到重要位置，作為關鍵公共資源對人們的日常生活起到直接影響[1]。傳統道路照明以電力為支撐，通過電網完成照明工作，雖應用范圍廣，但是不僅耗費的電力高，且易受到電路影響，較易出現照明故障，給人們正常生活造成不便[2]。在科學技術發展背景下，LED照明技術愈發成熟，已成為道路照明應用最廣泛的照明工具之一，且在綠色可持續發展理念下，新能源照明也迎來了發展新機遇。新能源LED燈不僅能夠省去電能轉換，提升照明系統工作有效性和靈活性，還能夠拓展道路照明系統新的發展道路，于復雜環境下靈活應用[3]。為滿足低光、多雨、高原、高寒等復雜環境下的道路照明需求，通過照明提升地區人們生活質量、促進區域經濟發展，就需要加強對于新能源LED路燈的分析和剖析，將其高質量應用于多種復雜環境條件下。

1 背景介紹

本文分析的主要案例為內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司的廠區道路照明，位于內蒙古自治區霍林郭勒市，氣候條件復雜，年平均氣溫僅為0.8℃，年最低氣溫甚至可達到近-40℃。除氣溫條件外，風力也是該區域特色復雜條件之一。霍林郭勒市以西北風為主，年平均風速為4.5m/s，最大風速可達28.4m/s。

在原設計中，廠區共設置147盞路燈，以交變220V為主要供電方式，每年總耗電量約為9萬kW·h，耗電量較大。在氣溫、日照、風力等的眾多環境因素影響下，當前燈桿已經出現較為嚴重的漆面脫落和腐蝕，外觀并不統一，美觀度、實用性均較低，且電能消耗量大。路燈照明是必備的公共設施之一，但是傳統供電方式的使用不僅不滿足當前節能環保理念的要求，且易發生故障[4]。這是因為，電能供電需要復雜的布線，埋設工作量大，電纜線路長，若在應用過程中出現故障則極難排查，直接影響區域公共區域的正常照明。隨著傳統路燈照明系統應用年限的增長，企業運行、維護系統的成本也在顯著增加，給企業成本管理帶來難題。在綠色可持續發展理念以及科學技術發展的推動下，以可再生能源為支撐的路燈照明系統應用愈發廣泛，其中主要包括風能、光能、太陽能以及風光互補等，應用前景廣泛，節能作用突出[5]。此外，風光互補太陽能路燈或者單一的太陽能路燈均不需要電網供電輔助，不僅建設成本低，且維護成本相對也不高，有效減少了傳統能源的消耗，做到了高效、節能、環保、低成本。

就地區而言，霍林郭勒市具有良好的光能及風能資源，光能方面，該市日照時間長、光照充足，年太陽能輻射約為5700MJ/m2，日照時間在2900h左右；風能方面，該市屬于溫帶大陸性氣候，風能充沛，因此應用風光互補太陽能資源極為適用。風光互補太陽能即綜合運用太陽能和風能，綠色可再生資源的應用有效減少了不可再生資源或污染性資源的應用，污染性氣體排放量直接降至零，是對于環境友好型社會建設的有效貫徹。不僅如此，光照和風能的應用減少了區域公共照明對于傳統電能的依賴，穩定性更強、靈活性更高，應用優勢明顯。

2 高寒地區風光互補太陽能路燈應用優勢及創新點

2.1 優勢

（1）安全性。風光互補太陽能在公共照明系統中已經得到了較為廣泛的應用，供電方式以直流12V、直流24V等低壓供電為主，極大地降低了意外觸電、電源性火災等事故的發生率，運行更加安全，在科學技術進步的推動下，風光互補技術愈發成熟，安全性也更加明顯。

（2）經濟性。風光互補太陽能于公路照明系統中的應用極大降低的對于傳統電能的依賴，使用可再生綠色能源，園區耗電量直接減少9萬kW·h，運行成本更低。另外，風光互補太陽能路燈采用單桿獨立供電，相對于傳統電力而言線路簡單、鋪設便捷、故障率低。獨立運行更是極大便捷了檢修工作，發生故障后排查面積更小，且不會對其他路燈造成影響，維修費用更低。

2.2 創新點

（1）高寒地區風光能源應用。霍林郭勒市位于內蒙古東部，冬季漫長，冬季最低溫可達-30℃以下，因此對于蓄電池耐寒性能有較高要求。但是就目前而言，超低溫電池并未在各領域得到廣泛應用，僅在特殊行業應用，且價格高昂，不適合大范圍普及。為減少電池損耗，在低溫環境下，工作人員需結合霍林郭勒市實際情況，于凍土上設置1.2m深的電池基坑，通過地表深埋起到保溫作用。同時選擇合適保溫板，在隔離防護、保溫防凍的同時起到防水作用，使用太陽能專用膠體電池，延長使用壽命，保證電池在低溫環境下的穩定運行。

（2）風光互補。霍林郭勒生態環境特殊，風能、光能充足，使用風光互補太陽能供電能夠有效彌補傳統電網供電的缺點，也能夠解決單一供能造成的穩定性不足的問題。風光互補下，霍林郭勒地區夏季光照充足，可主要使用光伏發電，輔以風力發電；冬季多云大雪，光照資源不足，但是此時風力強盛，可主要使用風力發電，輔以光伏發電。風光互補使得霍林郭勒地區路燈照明一年四季均可使用綠色可再生能源供電。

（3）降低能耗。企業廠區路燈每年總耗電量約為9萬kW·h，耗電量較大，而風光互補太陽能路燈照明系統的應用則減少了此部分電力損耗，節約資源作用明顯。

（4）風光互補智能控制系統。風光互補智能控制系統的研發應用能夠通過蓄電池充放電實現照明系統的自動控制、監測、故障報警，另外，過放保護、短路保護、過壓保護、過充保護、蓄電池反接保護、防雷擊、負載過流等也是其中重要功能。此外也可接入市電電源，若風光互補太陽能電池由于多種惡劣天氣出現電池虧電系統便可自動切換至市電供電，保證照明系統的穩定正常運行。

（5）全功率照明續航時長能力。企業廠區需要路燈照明時間為10h左右，時間較長，因此需要注重蓄電池擴容，延長續航時間。蓄電池容量擴容后太陽能蓄電池能夠實現低溫環境下的長時間全功率照明需求，充放電功能正常，且使用壽命較長。

3 新能源路燈構成要素及風光互補太陽能路燈應用參數

3.1 LED路燈燈具

新能源LED路燈燈具分為兩種：①僅有光源款，②DC-DC恒流電源款，后者為主要的新能源燈具類型。相較于市區LED路燈，DC-DC恒流電流燈具具有更高電流效率。光源的性能一般由散熱功能、光學設計、燈珠光電性能等決定，不同環境下燈具的設計需要有所改變[6]。在復雜環境下，需要按照實際需求合理配光，在適應環境的前提下充分發揮照明效果。同時也需要注意散熱功能的完善和創新，平衡燈具運行過程中的熱量，提升燈具工作效果[7]。另外，與市電LED路燈相比，新能源LED路燈還需要格外注意燈珠性能的完善，保證照明系統平穩運行。

內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司園區路燈選擇全密封、全鋁壓鑄燈具外殼，燈具設計合理，不存在砂眼、收縮孔等應用缺陷，外表光滑；燈具反射器配光合理，在進口高純鋁拉伸成型的基礎上經極氧化處理，使用性能更強；選擇直流12/24v作為工作電壓，可滿足園區10h照明需求，5天左右連續陰雨天的情況下依然能夠滿足路燈供電需求；緊固件選擇不銹鋼材料，耐腐蝕性強，異物侵入防護等級為IP65以上；選擇120W的LED燈頭作為光源，燈珠光效在125LM/W以上。燈光色溫5500K，顯色指數為80至89，10h全程滿功率亮燈。

3.2 蓄電池

蓄電池在新能源LED路燈照明系統中處于核心位置，是儲存和釋放能量的關鍵組件。通過蓄電池，照明系統可于白天儲存光能并在夜晚釋放以完成照明。當前市場中常見的額蓄電池包括膠體儲能蓄電池、鋰電池以及鉛酸儲能蓄電池等，其中膠體儲能蓄電池是安全性最高的電池種類，且技術相對更加成熟[8]。儲能鋰電池在科學技術發展背景下價格成本持續下降，已經成為新能源電路的主要應用方案。鋰電池優缺點均較為明顯：優勢方面，相較于膠體蓄電池，鋰電池能量及功率密度更高，重量更輕、體積更小，因此安裝難度下降，成本投入較低；缺點方面，鋰電池在復雜環境下使用的安全性和穩定性不足，環境溫度過高或者過低均會影響電池正常運行[9]。因此，在高寒地區若使用蓄電池可采用深埋達到保溫防寒的目的。

該企業園區路燈蓄電池選擇專用膠體蓄電池，由4只12V/180Ah電池構成電池組，2并2串連接，總電壓為24V。單桿路燈電池功率需在700Ah以上，全程滿功率亮燈工作時間需要50h以上，同時針對內蒙古高寒環境選擇聚丙烯材質地埋式保護箱，于1.3m深基坑中掩埋，內部做防水處理，同時加設100mm厚度以上的保溫板，以此達到防水抗寒的作用。完成后需要在電池井上蓋進行綠化土回填，避免對綠植造成破壞。

3.3 太陽能板

對于風光互補太陽能LED路燈系統來說，太陽能板是收集和轉換能量的關鍵組成要素，安裝位置一般為燈桿頂部。硅基光伏是太陽能板核心組件，多由多晶硅、單晶硅、非晶硅等晶硅構成，其中單晶硅、多晶硅是新能源LED路燈采用的主要成分[10]。太陽能組件輸出功率會受到光照條件的影響，因此需要重視不同光照下光伏組件的應用參數，提升應用有效性。

該企業園區路燈太陽能板由2塊單晶硅光伏板構成，以串聯方式連接，單塊功率12V/250W，整體功率須達到400W以上。太陽能板以及其他相關組件必須可在-40℃條件下正常運作，滿足內蒙古環境要求，且其使用壽命、發電轉換效率均有嚴格要求，安裝傾角也要根據實際位置合理調節。

3.4 新能源路桿

新能源路桿專一性特點突出，是新能源LED道路照明系統的核心支撐，由燈臂、燈桿主體、組件專用支架以及地下管線等組成[11]。需要注意的是，太陽能組件于燈桿頂部安裝，這對于燈桿防風型、穩定性等有了更加嚴格的選擇，必須詳細分析復雜環境要素的影響作用，合理選擇燈桿材質、焊接度、口徑以及厚度[12]。

企業園區新能源路燈主桿選擇高度為10m，板材厚度4mm及以上，且于表面進行85μm及以上的熱鍍鋅處理；燈桿底部法蘭板材厚度20mm及以上，一次焊接成形，且需要在法蘭板與燈桿間進行8mm以上加強筋的焊接，保證無虛焊，且表面光滑飽滿；路桿各組成部分使用壽命需在20年以上，承載能力需要達到50kg以上，抗風能力應達到10級。款式、顏色可依照需求方要求決定，需統一、美觀。

3.5 太陽能路燈控制器

太陽能路燈控制器即控制以上各組成部分的中心控制器，在照明系統中處于核心位置，是保證照明工作穩定有序完成的保障[13]。恒流控制一體機是當前LED路燈最普遍的應用類型，最大光伏充電電流15A，最大負載150W。若環境條件較為復雜則需要充分考慮溫度及光照的差異性，合理調控各時段照明系統，保證系統穩定運行。

企業園區應用上文所提的風光互補智能控制系統，使用光感控制、經緯時控兩種控制互補模式啟動路燈，同時連接市電電源，若出現長時間持續惡劣天氣影響蓄電池供電則可智能調控至市電供電，保證路燈照明系統的穩定運行。

4 結語

新能源LED路燈在復雜條件下的應用能夠保障地區人民正常生活，但是在應用過程中也面臨諸多難點，不僅需要優化路燈系統配置，確定復雜條件下的關鍵影響因素，還需要通過多項系統測試滿足最佳應用目標。相關工作者需要認識到新能源LED路燈應用的優勢，反思與研究復雜環境因素，不斷優化新能源照明系統，優化配置，保證系統穩定安全運行，保障充足照明，為區域整體發展提供基礎設施支撐。